DE4401728A1 - Current balancing circuit - Google Patents
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Description
Die Anordnung betrifft die Parallelschaltung mehrerer Strom versorgungen auf eine gemeinsame Last.The arrangement concerns the parallel connection of several currents supplies on a shared load.
Zur Versorgung von Geräten mit stabilisierten Klein spannungen bei hohem Strombedarf, beispielsweise Datenver arbeitungsanlagen, ist es wünschenswert, mehrere Strom versorgungen, insbesondere Netzteile, parallel schalten zu können. Hierbei ist eine gleichmäßige Aufteilung der Ströme auf alle angeschlossenen Stromversorgungen wünschenswert. Dabei wird, wie in der US Patentschrift 51 64 890 beschrieben ist, zusätzlich zu der Regelung der Ausgangsspannung nach einer Referenzspannung ein Strommittelwert gebildet und eine Feinregelung der Ausgangsspannung in der Form durchgeführt, daß der jeweilige Ausgangsstrom in etwa gleich dem Strom mittelwert ist.For supplying devices with stabilized small voltages with high power requirements, for example data work equipment, it is desirable to have multiple electricity supplies, especially power supplies, connect in parallel can. Here is an even distribution of the currents desirable on all connected power supplies. As described in US Pat. No. 5,164,890 is in addition to the regulation of the output voltage a current value is formed from a reference voltage and a Fine control of the output voltage is carried out in the form that the respective output current is approximately equal to the current is mean.
Innerhalb des Bereichs der Feinregelung verhält sich die Stromversorgung wie eine Stromquelle. Parallelgeschaltete Stromquellen neigen jedoch zu instabilen Ausgangsspannungen insbesondere bei nicht-ohmschen Lasten. Die Ausgangsspannung wird vom Verhältnis der Innenwiderstände bestimmt, die bei spielsweise durch thermische Ursachen schwanken. Daher muß für stabile Betriebsverhältnisse eine der Stromversorgungen als Master geschaltet und ohne die Stromregelung betrieben werden, aber bei der Bildung des Strommittelwertes bei tragen. Der Master gibt also die Spannung vor und übernimmt die Differenz zwischen dem von dem Verbraucher aufgenommenen und dem von den anderen Stromversorgungen gelieferten Strom. Durch die Sonderstellung des Masters wird gleichzeitig erreicht, daß die Ausgangsspanung der parallelgeschalteten Netzteile im wesentlichen nur durch die Toleranz der Aus gangsspannung des Master-Netzteils bestimmt ist.The behaves within the range of the fine control Power supply like a power source. Connected in parallel However, current sources tend to have unstable output voltages especially with non-ohmic loads. The output voltage is determined by the ratio of the internal resistances, which at fluctuate for example due to thermal causes. Therefore one of the power supplies for stable operating conditions switched as a master and operated without the current control be, but in the formation of the current average carry. So the master specifies the tension and takes over the difference between that consumed by the consumer and the power supplied by the other power supplies. Due to the special position of the master is simultaneously achieved that the output voltage of the parallel Power supplies essentially only by the tolerance of the off output voltage of the master power supply is determined.
Insbesondere Netzteile der Computertechnik müssen kleine Ausgangsspannungen von 5 V oder 3,3 V bei geringen Toleranzen bereitstellen. Beträgt beispielsweise die Toleranz der Referenzspannung der Netzteile ± 1% vom Sollwert, dann muß die Stromregelung einen Regelbereich von mindestens ± 2% umfassen, um auch bei ungünstiger Kombination der Referenz spannungen im Regelbereich zu bleiben. Da die Ausgangs spannung vom Master-Netzteil bestimmt wird, ist die Toleranz der Ausgangsspannung der Parallelschaltung dieselbe wie die Toleranz der Leerlaufspannung des Master-Netzteils, nämlich ± 1%. Hingegen ist die Toleranz der Leerlaufspannung eines Slave-Netzteils zusammengesetzt aus der Toleranz der Referenzspannung von z. B. ± 1% und der durch den notwendigen doppelten Regelbereich vorgegebenen Spanne von ± 2%, so daß die Leerlaufspannung der Slave-Netzteile um ± 3% vom Nennwert schwanken kann. Auch wegen der sich damit ergebenden drei fach größeren Toleranz der Ausgangsspannung ist daher ein einfaches Zusammenschalten von Netz teilen ohne Master-Slave-Anordnung problematisch.Power supplies in computer technology in particular must be small Output voltages of 5 V or 3.3 V with small tolerances provide. For example, the tolerance of the Reference voltage of the power supplies ± 1% of the setpoint, then must the current control has a control range of at least ± 2% include to even with unfavorable combination of the reference tensions remain in the control range. Because the starting voltage is determined by the master power supply is the tolerance the output voltage of the parallel circuit is the same as that Tolerance of the open circuit voltage of the master power supply, namely ± 1%. On the other hand, the tolerance of the open circuit voltage is one Slave power supplies composed of the tolerance of Reference voltage of e.g. B. ± 1% and by the necessary double control range given range of ± 2%, so that the open circuit voltage of the slave power supplies by ± 3% of the nominal value can fluctuate. Also because of the resulting three The greater tolerance of the output voltage is therefore one simple interconnection of network parts without Master-slave arrangement problematic.
Die Spezialisierung eines Netz teils als Masternetzteil ist jedoch nicht wünschenswert. Insbesondere kann bei hohen Anforderung an die Verfügbarkeit der Stromversorgung die Anzahl der Netzteile so gewählt werden, daß bei Ausfall eines der Netzteile die restlichen den Strombedarf decken können. Ein Masternetzteil würde die vollständige Ausfall sicherheit gegen Ausfall eines einzigen Netzteils ver hindern.The specialization of a power supply as a master power supply is however not desirable. In particular, at high Requirement for the availability of the power supply Number of power supplies to be chosen so that in the event of failure one of the power supplies will cover the rest of the electricity needs can. A master power supply would cause complete failure security against failure of a single power supply ver prevent.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Zusammenschaltung von Stromversorgungen mit Stromausgleich so zu gestalten, daß trotz Verzichts auf eine Master-Stromversorgung eine stabile Ausgangsspannung und eine einer Schaltung mit Master vergleichbare Genauigkeit der Ausgangsspannung erreicht wird.It is therefore an object of the invention to interconnect to design power supplies with power equalization so that despite the absence of a master power supply stable output voltage and one of a circuit with master comparable accuracy of the output voltage achieved becomes.
Zur Lösung dieser Aufgabe gelangt man über die Erkenntnis, daß immer eines der parallelgeschalteten Netzteile eine Masterfunktion übernehmen sollte. Um die Masterfunktion übernehmen zu können, muß dieses Netzteil als Konstant spannungsquelle und die restlichen als gesteuerte Strom quellen wirken. Die Lösung besteht darin, durch eine Vor spannung in der Teilschaltung zum Stromvergleich dafür zu sorgen, daß die Leerlaufspannung der Netzteile an der Unter grenze des Regelbereichs liegt. Dann hat das Netzteil mit der innerhalb der Streuung der Referenzspannungen höchsten Referenzspannung die höchste Leerlauf-Ausgangsspannung und übernimmt die Masterfunktion. Anders formuliert besteht die Erfindung darin, durch eine Vorspannung im Regelverstärker im Leerlauf keinen hohen, sondern einen geringen Ausgangs widerstand zu erreichen, indem der Verstärker U2 in Sätti gung gelangt und eine stabile, nahe einer Betriebsspannung liegende Ausgangsspannung erzeugt, so daß der Widerstand R2 ohne Wirkung ist. Dieser Betriebszustand gilt dann auch für das sich jeweils als Master einstellende Netzteil. Die ande ren Netzteile regeln im Rahmen der Feinregelung für den Stromausgleich zu höherer als der jeweiligen Leerlauf spannung. Durch die Vorspannung bedarf es für das als Master fungierende Netzteil einer signifikanten, vorherbestimmbaren Abweichung des Ausgangsstroms vom dem durch einen Widerstandsstern bestimmten Mittelwert der Ausgangsströme, so daß dieses Netzteil als Konstantspannungsquelle fungiert. Diese Schaltung bewirkt, daß das als Master fungierende Netzteil den höchsten Strom aller Netzteile liefert. Gleich zeitig wird eine geringe Toleranz der sich ergebenden gemeinsamen Ausgangsspannung erreicht, die wie bei fest zugeordnetem Master im wesentlichen die Toleranz der Referenzspannung beträgt. Der Regelbereich für die Fein regelung ist nur noch die einfache Toleranz der Referenz spannung, da jedes Netzteil nur noch zu höheren Ausgangs spannungen hin geregelt werden muß.The solution to this task can be found through the knowledge that always one of the power supplies connected in parallel Should take on the master role. To the master role To be able to take over, this power supply must be constant voltage source and the rest as controlled current wells act. The solution is through a pre voltage in the subcircuit for current comparison therefor ensure that the open circuit voltage of the power supplies on the sub limit of the control range. Then the power supply has with the highest within the spread of the reference voltages Reference voltage the highest open circuit output voltage and takes on the master role. In other words, there is Invention therein by a bias in the control amplifier not a high, but a low output when idling to achieve resistance by the amplifier U2 in Sätti supply and a stable, close to an operating voltage generated output voltage, so that the resistor R2 has no effect. This operating state then also applies to the power supply unit that is set up as the master. The other other power supplies regulate as part of the fine control for the Power balance higher than the respective idle tension. Due to the preload it is necessary for that as a master functioning power supply of a significant, predictable Deviation of the output current from that by one Resistance star determined mean value of the output currents, so that this power supply acts as a constant voltage source. This circuit causes the master to function Power supply delivers the highest current of all power supplies. Soon a small tolerance of the resulting is timely common output voltage reached as with fixed assigned master essentially the tolerance of the Reference voltage. The control range for the fine regulation is only the simple tolerance of the reference voltage because each power supply only has to output higher voltages must be regulated.
Es zeigenShow it
Fig. 1 eine Zusammenschaltung von stark vereinfacht dar gestellten erfindungsgemäßen Stromversorgungen, Fig. 1 is a simplified interconnection of highly represents detected power supplies according to the invention,
Fig. 2 eine beispielhafte Ausführungsform einer einzelnen Stromversorgung, Fig. 2 shows an exemplary embodiment of a single power supply,
Fig. 3 ein Modell für das Verhalten einer einzelnen Stromversorgung. Fig. 3 shows a model for the behavior of a single power supply.
In der Fig. 1 ist eine vereinfachte Schaltung dargestellt, um das Zusammenwirken mehrerer Stromversorgungen zu beschreiben. Die umrahmte Schaltung zeigt eine von mehreren Stromversorgungen, die an dem Punkt U parallel zueinander verbunden sind und eine als gestrichelt dargestellte gemein same Last RL speisen. Die Versorgung mit elektrischer Energie erfolgt am Punkt Q durch bekannte Mittel. Mit dem Punkt Q ist ein elektronisches Steuerglied T verbunden, wel ches durch den Operationsverstärker U1 angesteuert wird. Das Steuerglied kann auch in die Versorgung Q integriert sein, wenn beispielsweise diese aus einem Schaltspannungswandler besteht, bei dem die abgegebene Energie und damit die Aus gangsspannung durch Änderung des Tastverhältnisses einge stellt wird. Die so gesteuerte Energie wird über den Strom meßwiderstand Ri an den Punkt U geführt. Von dem Punkt U wird über einen Widerstand R1 der Istwert der Ausgangs spannung an den invertierenden Eingang des Operations verstärkers U1 geführt, dessen nicht-invertierender Eingang mit einer Referenzspannungsquelle Uref verbunden ist.A simplified circuit is shown in FIG. 1 to describe the interaction of several power supplies. The framed circuit shows one of several power supplies that are connected in parallel to each other at point U and feed a common load RL shown as dashed lines. The supply of electrical energy takes place at point Q by known means. With the point Q, an electronic control element T is connected, which is controlled by the operational amplifier U1. The control element can also be integrated into the supply Q if, for example, it consists of a switching voltage converter in which the energy output and thus the output voltage is set by changing the duty cycle. The energy controlled in this way is led to the point U via the current measuring resistor Ri. From the point U, the actual value of the output voltage is passed to the inverting input of the operational amplifier U1 via a resistor R1, the non-inverting input of which is connected to a reference voltage source Uref.
An dem Strommeßwiderstand Ri entsteht eine Spannung, die, gegenüber U gemessen, proportional dem von dem Netzteil gelieferten Strom ist. Über den Widerstand Rs wird dieser den Ausgangsstrom repräsentierende Istwert auf einen Stern punkt S geführt, an dem die zweite gemeinsame Verbindung aller zusammengeschalteten Stromversorgungen erfolgt. Die Spannung an dem Punkt S, gegenüber U gemessen, repräsentiert den Strommittelwert, gemittelt über alle Netzteile.A voltage arises at the current measuring resistor Ri, which, measured against U, proportional to that of the power supply delivered electricity is. Via the resistor Rs it becomes actual value representing the output current to a star point S led, at which the second joint connection all interconnected power supplies. The Voltage at point S, measured against U, represents the average current value, averaged over all power supplies.
Der Stromausgleich erfolgt über den Operationsverstärker U2. Zunächst sei angenommen, daß die Spannung der Spannungsquelle E 0 V betrage; E kann also durch eine Verbindung ersetzt gedacht werden. Die Ausgangsspannung von U2 ist positiv gegenüber X, wenn der von der Stromversorgung gelieferte Strom über dem Mittelwert liegt, und negativ, wenn er darunter liegt. Die Ausgangsspannung von U2 wird über den Widerstand R2 zusätzlich zu dem Widerstand R1 an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers U1 gelegt. Damit wird eine Feinregelung der Ausgangsspannung erreicht, so daß die Abweichung des Ausgangsstroms zum Mittelwert des Stroms aller Stromversorgungen gering wird. R2 ist erheblich größer als R1 und legt den Schwankungsbereich der Ausgangsspannung fest, innerhalb derer die Stromregelung wirksam ist. Ist U2 vollständig durchgesteuert, liegt also seine Ausgangsspannung bei der negativen oder positiven Versorgungsspannung, dann ist die Stromregelung unwirksam und der Ausgang bei U verhält sich wie eine Spannungsquelle geringen Innenwiderstands. In Fig. 3 ist dieses Verhalten symbolisch dargestellt: Umin und Umax sind die durch das Verhältnis von R1 und R2 sowie den Ausgangs-Aussteuerungsbereich von U2 vorgegebenen Grenzen des Strombetriebs. Die Dioden sind als ideale Dioden aufzu fassen; sie klemmen die Ausgangsspannung an die beiden Span nungen Umin und Umax. Die Stromquelle wird von dem Eingang S gesteuert.The current compensation takes place via the operational amplifier U2. First assume that the voltage of the voltage source E is 0 V; E can therefore be thought of as being replaced by a connection. The output voltage of U2 is positive compared to X if the current supplied by the power supply is above average and negative if it is below. The output voltage of U2 is applied via resistor R2 in addition to resistor R1 to the inverting input of operational amplifier U1. Fine regulation of the output voltage is thus achieved, so that the deviation of the output current from the mean value of the current of all power supplies is small. R2 is considerably larger than R1 and defines the fluctuation range of the output voltage within which the current control is effective. If U2 is fully controlled, ie if its output voltage is at the negative or positive supply voltage, then the current control is ineffective and the output at U behaves like a voltage source with low internal resistance. This behavior is represented symbolically in FIG. 3: Umin and Umax are the limits of the current operation which are predetermined by the ratio of R1 and R2 and the output modulation range of U2. The diodes are ideal diodes; they clamp the output voltage to the two voltages Umin and Umax. The current source is controlled by the input S.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform mit weiteren Details. Hierbei wird die Spannung am Strommeßwiderstand Ri mit dem Verstärker U3 verstärkt und diese so verstärkte Spannung zur Mittelwertbildung mittels Rs verwendet. Die Zeichnung ent hält Angaben zu den Werten der Bauelemente, die lediglich als Beispiele zu betrachten sind. Durch die Verstärkung mit U3 kann am Ausgang eine Entkoppeldiode D eingefügt werden, ohne daß die Funktion beeinträchtigt wird. An den Eingängen der Verstärker sind Schutzwiderstände entsprechend erprobter Praxis angebracht. Der Verstärker U2 ist durch einen Konden sator vom Ausgang zum invertierenden Eingang gedämpft. Die Vorspannung wird an dem Schutzwiderstand Rv zwischen dem Ausgang von U3 und dem nicht-invertierenden Eingang von U2 erzeugt, indem eine Stromquelle V einen Strom einspeist, so daß der nicht-invertierende Eingang von U2 positiv gegenüber dem Ausgang von U3 ist und die Ausgangsspannung U auf Mini mum gezogen wird. Die Vorspannung ist größer als die Offset spannung des Verstärkers U2. Das Verhältnis der Widerstände R1 und R2 bestimmt mit dem Ausgangsspannungshub von U2 den Feinregelbereich, der im gezeigten Fall 2% beträgt, da der Hub von U2 von 0 bis 10 V reicht. Dabei wird angenommen, daß die Referenzspannungsquellen Uref zusammen mit den rest lichen Toleranzen der Schaltung eine Genauigkeit von ± 1% besitzen, also zwischen 4,95 V und 5,05 V für einen Nominal wert von 5 V schwanken können. Die Ausgangsspannung im Leer lauf liegt dann zwischen 4,90 und 5,00 Volt, da der Fein regelbereich ± 0,05 V beträgt. Da sich die Parallelschaltung durch die Vorspannung auf das Minimum des Netz teils mit der höchsten Referenzspannung einstellt, muß die Referenz spannung als nominal 5.05 V eingestellt werden, so daß die Leerlaufspannung zwischen 4.95 und 5.05 liegt. Fig. 2 shows an embodiment with further details. In this case, the voltage across the current measuring resistor Ri is amplified by the amplifier U3 and this voltage, which has been amplified in this way, is used for averaging using Rs. The drawing contains information on the values of the components, which are only to be regarded as examples. Through the amplification with U3, a decoupling diode D can be inserted at the output without the function being impaired. Protective resistors are attached to the inputs of the amplifiers in accordance with proven practice. The amplifier U2 is damped by a capacitor from the output to the inverting input. The bias voltage is generated across the protective resistor Rv between the output of U3 and the non-inverting input of U2 by a current source V feeding a current so that the non-inverting input of U2 is positive with respect to the output of U3 and the output voltage U pulled to mini mum. The bias voltage is greater than the offset voltage of the amplifier U2. The ratio of the resistors R1 and R2 determines the fine control range with the output voltage swing of U2, which is 2% in the case shown, since the stroke of U2 ranges from 0 to 10 V. It is assumed that the reference voltage sources Uref together with the remaining tolerances of the circuit have an accuracy of ± 1%, that is, they can fluctuate between 4.95 V and 5.05 V for a nominal value of 5 V. The output voltage in idle is between 4.90 and 5.00 volts because the fine control range is ± 0.05 V. Since the parallel connection is set by the bias to the minimum of the power supply with the highest reference voltage, the reference voltage must be set as a nominal 5.05 V, so that the open circuit voltage is between 4.95 and 5.05.
Anstelle des Minimums kann als Extremum auch das Maximum gewählt und die Referenzspannung entsprechend eingestellt werden.Instead of the minimum, the maximum can also be the extreme selected and the reference voltage set accordingly become.
Für die Vorspannungserzeugung wird vorzugsweise die in Fig. 2 gezeigte Wirkung einer Stromquelle V auf einen Schutz widerstand Rv eingesetzt, wobei die Stromquelle V auch durch einen Widerstand angenähert realisiert werden kann. Bei Ver wendung von Operationsverstärkern mit Anschlüssen zur Offsetspannungskompensation, wie z. B. der von vielen Her stellern lieferbare Typ 741, kann einer der beiden Anschlüsse mit der negativen Versorgungsspannung verbunden werden, um eine Offsetspannung definierter Richtung zu erzeugen. Laut Datenblatt des Typs LM741 der Firma National Semiconductor beträgt die Offsetspannung maximal 5 mV, der Bereich der Offsetspannungskompensation hingegen ±15 mV, so daß eine sichere Vorspannung von 10 mV erreicht wird.For the bias voltage generation , the effect shown in FIG. 2 of a current source V on a protective resistor Rv is preferably used, wherein the current source V can also be realized approximately by a resistor. When using operational amplifiers with connections for offset voltage compensation, such as. B. the type 741 available from many manufacturers, one of the two connections can be connected to the negative supply voltage in order to generate an offset voltage in a defined direction. According to National Semiconductor's LM741 data sheet, the offset voltage is a maximum of 5 mV, while the offset voltage compensation range is ± 15 mV, so that a reliable bias of 10 mV is achieved.
Fällt ein Netzteil aus, so trennt eine nicht dargestellte innere Überwachungs- und Schutzschaltung das Netzteil bei spielsweise durch einen Relaiskontakt vom Sternpunkt S und schaltet die Versorgung mit elektrischer Energie am Punkt Q ab. Ist es das als Master fungierende Netzteil, so sinkt die Spannung an der Last um ein Geringes, da jetzt das Netzteil mit der höchsten verbleibenden Referenzspannung die Master funktion übernimmt. Ist es nicht das Master-Netzteil, so bleibt die Spannung. In beiden Fällen übernehmen die ver bleibenden Netzteile zusammen den Strom des ausgefallenen Netzteils.If one power supply fails, one that is not shown disconnects inner monitoring and protection circuit the power supply for example by a relay contact from star point S and switches the supply of electrical energy at point Q from. If it is the power supply unit that acts as the master, the power supply drops Tension on the load by a little because now the power supply the masters with the highest remaining reference voltage takes over function. If it's not the master power supply, so the tension remains. In both cases the ver permanent power supplies together the current of the failed Power supply.
Auch ohne die Abschaltung eines ausgefallenen Netzteils bliebt die Anordnung funktionsfähig. Bei Ausfall des Masternetzteils übernimmt das Netzteil mit dem nächst höheren Spannungswert die Masterfunktion. Durch den Ausfall eines Netzteils wird die Stromsymmetrie gestört. Das vorhandene oder sich neu bildende Masternetzteil übernimmt zusätzlich den Strom des ausgefallenen Netzteils, jedoch maximal bis zur eigenen, zusätzlich vorhandenen Strombegrenzung. Sofern diese erreicht wird, wirkt das Netzteil als Stromquelle, und von den verbleibenden Netzteilen übernimmt eines die Masterfunktion. Dieser Zustand kann auch über längere Zeitdauer, z. B. bis zum Eintreffen von Wartungspersonal, bestehen, ohne das die Stromversorgung als ganzes unterbrochen ist.Even without switching off a failed power supply the arrangement remains functional. If the Master power supply takes over the power supply with the next one higher voltage value the master function. Because of the failure the power symmetry is disturbed. The existing or newly developing master power supply takes over additionally the current of the failed power supply, however up to your own, additionally existing Current limitation. If this is achieved, it works Power supply as a power source, and from the remaining Power supply units take on the master function. This Condition can also last for a long time, e.g. B. by Arrival of maintenance personnel, exist without the Power supply as a whole is interrupted.
Claims (5)
- - Teilschaltungen zur Regelung der Abgabeleistung auf minimale Abweichung zwischen Spannung an der Last und einer jeweiligen Referenzspannung
- - Teilschaltungen zur Bestimmung eines jeweiligen Aus gangsstroms
- - Teilschaltung zur Bildung eines gemeinsamen Strom mittelwerts aus den jeweiligen Ausgangsströmen
- - Teilschaltungen zur Bildung einer Differenz zwischen jeweiligem Ausgangsstrom und gemeinsamem Strom mittelwert
- - Zuführung der Differenz zu der Teilschaltung zur Rege lung der Abgabeleistung, so daß die Spannung an der Last innerhalb eines vorgegebenen Feinregelbereichs der Ausgangsspannung verändert wird, um die Differenz zu minimieren
- - Vorspannmittel zur Beeinflussung der Teilschaltung zur Bildung der Differenz in der Art, daß bei Gleichheit von Ausgangsstrom und Strommittelwert der Ausgang der Stromversorgungen für alle Stromversorgungen dasselbe Extremum des Feinregelbereichs, insbesondere das Mini mum, annimmt.
- - Subcircuits for regulating the output power to a minimum deviation between voltage at the load and a respective reference voltage
- - Subcircuits for determining a respective output current
- - Subcircuit to form a common current average from the respective output currents
- - Subcircuits to form a difference between the respective output current and common current mean
- - Supply of the difference to the subcircuit for the regulation of the output power, so that the voltage at the load is changed within a predetermined fine control range of the output voltage in order to minimize the difference
- - Biasing means for influencing the subcircuit to form the difference in such a way that if the output current and mean current value are the same, the output of the power supplies assumes the same extremum of the fine control range, in particular the mini mum, for all power supplies.
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